Selective Laser Melting

Ein neuer Weg zum Werkzeug

Seit 2013 forscht Mapal an der Werkzeugherstellung mit Hilfe additiver Fertigung. Als einer der ersten Hersteller von Zerspanungswerkzeugen hat das Unternehmen in einen 3D-Drucker investiert, um mittels Selective Laser Melting (SLM) ganz neue Wege bei der Herstellung von Werkzeugen, die auf konventionellem Weg nicht oder nicht optimal hergestellt werden können, zu beschreiten. Mit Erfolg.

Mit Hilfe des SLM ist es Mapal gelungen, einen Schneidplattenbohrer mit den kleineren Durchmessern und gewendelten Kühlkanälen zu realisieren.

Das SLM (Selective Laser Melting), also die Form des 3D-Drucks, die bei Mapal zum Einsatz kommt, ist ein pulverbettbasierter Prozess. Loses Metallpulver wird mittels eines Laserstrahls Schicht für Schicht an den Stellen aufgeschmolzen, an denen Material sein soll. Das Bauteil entsteht von unten nach oben. Die Flächen, die geschmolzen werden, sind in Quadrate (Schachbrettmuster) unterteilt. Diese werden nicht aufeinanderfolgend, sondern statistisch verteilt aufgeschmolzen. Dadurch wird eine Verteilung des Wärmeeintrags erreicht. Außenkonturen und Flächen werden mit unterschiedlichen Parametern bearbeitet. Denn: Die Bearbeitungsparameter haben Einfluss auf die Materialeigenschaften.

Auf einer Platte werden die Schneidplattenbohrer QTD gefertigt.

Beim SLM handelt es sich um einen „Brutto“-Prozess, das heißt, es entsteht fast kein Abfall. Pulver, das übrig bleibt, wird beim nächsten Fertigungsprozess nahezu vollständig wieder verwendet. Bei Mapal kommt hauptsächlich ein spezieller Warmarbeitsstahl in Pulverform mit einer Korngröße von 10 bis 45 Mikrometern zum Einsatz. Dieser Werkstoff bietet zahlreiche Vorteile: Er ist schweiß- und lötbar, relativ verzugsarm und er ist sehr gut geeignet zum hybriden Bauen.

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Mittels SLM können fast beliebige räumliche und komplexe Geometrien sowie innen liegende Hohlräume realisiert werden, unbeeinträchtigt von Maschinenaufspannungen, Werkzeugen oder Fertigungsmitteln. Dadurch ergeben sich in vielen Bereichen ganz neue Möglichkeiten. Den praktischen Nutzen dieser Freiheit zeigt zum Beispiel das Einbringen der Kühlkanäle in Bohrer-Grundkörper  – gewendelte Kühlkanalbohrungen sowie der Wechsel zwischen gewendelten und geraden Kühlkanälen sind möglich. Mit dem 3D-Druck können Kühlkanäle bei kleineren Werkzeugdurchmessern optimal gestaltet werden.

Neben den beliebigen Geometrien bietet das SLM die Möglichkeit, Bauteile deutlich gewichtsärmer zu produzieren. Zudem kann hybrid gefertigt werden und inneres Wuchten, also die genaue Verteilung des Materials, ist realisierbar.

Die Dauer der Fertigung, die Baurate und die bisher erreichte Oberfläche sind Restriktionen beim Herstellen von Werkzeug mittels SLM. Zudem begrenzen die Eigenschaften des Laserstrahls den Prozess. Pulver, das neben oder unter der zu bearbeitenden Fläche liegt, wird mit angeschmolzen.

Die Flächen, die beim SLM geschmolzen werden, werden in Quadrate unterteilt.

Das Werkstoffspektrum, das bisher zum Selective Laser Melting verwendet werden kann, ist eingeschränkt. Des Weiteren ziehen die verwendeten Materialien mit ihren jeweiligen Eigenschaften eine Bearbeitungsgrenze. So entsteht beispielsweise beim Erstellen von ebenen Flächen auf Pulver ein Bimetall-Effekt. Zudem können einige Elemente, wie Gewinde, Passbohrungen und Passflächen, generell nicht direkt mit der Additiven Fertigungstechnologie hergestellt werden.

Als erstes Produkt, das mithilfe des 3D-Druckers hergestellt wird, brachte Mapal den Schneidplattenbohrer QTD im Durchmesserbereich 8 bis 13 Millimeter zur Serienreife. Im Jahr 2013 kam der Schneidplattenbohrer QTD ab Durchmesser 13 Millimeter auf den Markt. Dafür, dass keine kleineren Durchmesser verfügbar waren, war unter anderem die Kühlkanalführung des Grundkörpers verantwortlich. Üblicherweise wird bei Grundkörpern mit konstanter Spiralsteigung für Schneidplattenbohrer das Kühlmittel zentral nach vorne geführt und über eine Ypsilon-Gabelung an die Schneiden verteilt. Je kleiner der Grundkörper ist, desto mehr beeinträchtigt diese Kühlmittelführung die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs. Denn durch die zentrale Führung wird der Kern des Bohrers geschwächt und instabil. Darüber hinaus müssen die Kühlkanäle zunehmend kleiner ausgeführt werden, was einen abnehmenden Durchfluss des Kühlmittels bis nach vorne an die Schneide zur Folge hat. Stahl-Grundkörper mit gewendelten Kühlkanälen waren bei kleinen Durchmessern bislang nicht üblich.

Mit Hilfe des SLM ist es Mapal gelungen, den Schneidplattenbohrer mit den kleineren Durchmessern und gewendelten Kühlkanälen zu realisieren. Zudem ermöglicht die Anordnung und Ausgestaltung der Kühlkanäle einen um 100 Prozent gesteigerten Kühlmitteldurchfluss, speziell durch von der Kreisform abweichende Kühlkanalprofile. Der Körper des Bohrers wird mittels SLM auf den konventionell gefertigten Zylinderschaft aufgesetzt.

Neben der geometrischen Freiheit ist die Gewichtsoptimierung eine Möglichkeit, die das SLM bietet. Dies machte sich das Unternehmen als eines der ersten der Branche unter anderem bei der Fertigung von Außenreibahlen zunutze. Denn: Außenreibahlen funktionieren oft umso besser, je leichter sie sind. Insbesondere bei der Bearbeitung von Wellen mit kleinen Durchmessern. Ein herkömmlich gefertigtes Werkzeug aus Stahl zur Bearbeitung eines Durchmessers von beispielsweise 8,5 Millimetern wiegt jedoch bereits 390 Gramm. Dieses Gewicht und die daraus resultierende Trägheit schränken die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten stark ein. Deshalb bringt eine Gewichtsoptimierung sofort deutliche Produktivitätssteigerungen. Durch eine speziell entwickelte Rippenstruktur im Inneren des Werkzeuges ist es gelungen, die Reibahle mit einem Gewicht von 172 Gramm herzustellen, das Gewicht also mehr als zu halbieren. Die Bearbeitung kann mit den lasergesinterten Außenreibahlen deutlich schneller und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden. ee

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